----翻譯自Michael Connelly在2004年的文章

簡介

在過去的25 年里，光纖通信網絡的部署和容量迅速增長。這種增長是新光電技術的發展帶來的，這些技術充分利用了光纖的巨大帶寬。如今，系統以超過100 Gb/s的比特率運行，光學技術已是全球信息的主要載體，它也是未來網絡的核心。這些功能包括幾乎無限的帶寬，可以承載幾乎任何類型的通信服務，以及允許終端容量升級和靈活通道路由的完全透明性。光放大器使光網絡的發展成為可能。

光放大器可分為兩類：光纖放大器和半導體光放大器SOA。前者主導著傳統的系統應用，例如在線放大以補償光鏈路損耗。然而，由于光半導體制造技術和器件設計的進步，SOA 在不斷發展的光通信網絡中顯示出巨大的前景。它既可以用作通用增益元件，又有許多功能應用，包括光開關和波長轉換。這些功能在透明光網絡中是必需的。

本文我們將回顧SOA基礎知識、技術（材料和結構）、信號傳輸性能（碼型效應、串擾和超短脈沖放大）以及一些重要的功能應用（光開關和波長轉換）。

基本原理

SOA 基于與半導體激光器類似的技術。光增益是通過對合適的半導體材料進行電泵浦來實現的，這樣在材料導帶和價帶之間發生粒子數反轉。當產生的受激輻射超過受激吸收和內部材料損耗時，入射光子可以被放大。SOA可以設計為在 1300 nm 或 1550 nm 光通信窗口中運行。具有低殘余反射率(R≈0)的SOA的工作原理如圖1所示。輸入光功率在穿過長度為L的SOA有源波導后，會經歷單通增益 G=exp(gL)。凈增益系數g=Γgm-αint，其中Γ是光限制因子（傳輸光信號功率被限制在SOA波導中的比例），gm是材料增益，αint是光損耗系數。gm是注入載流子（電子）密度和波長的函數。單模有源波導可以支持兩種正交偏振模式：橫電（TE） 和橫磁 （TM）。

放大過程還會在輸出信號中增加寬帶噪聲，即放大自發輻射（ASE）。放大器噪聲系數（NF）是放大后信號信噪比（SNR）衰減的量度。它定義為當輸入噪聲受到散粒噪聲限制時，輸入的SNR與輸出的SNR之比。輸出SNR的表達式通常假設SOA后跟窄帶濾光片和理想光電探測器，這樣探測器噪聲的主要來源是信號和ASE之間的拍頻噪聲，落在實際帶寬內。在這種情況下，SOA噪聲系數由下式給出

其中額外噪聲因子K由下式給出

其中nsp是有效粒子數反轉參數。為了實現低NF，內部損耗必須很小，并且需要接近 1 的nsp值。通過以高增益運行SOA來實現有利的nsp值。

需要低反射率R以防止SOA在高增益下振蕩，殘余反射率表現為放大器增益譜和ASE光譜中的紋波。

SOA結構

SOA 所需的關鍵參數包括：

低反射率（<10-4）以確保低增益紋波（<0.5 dB）

低光損耗系數，以實現高增益;

高材料增益，允許低驅動電流運行;

低偏振靈敏度（0.5 dB），因為來自鏈路中光信號的偏振態通常是隨機的;

高飽和輸出功率（Psat），定義為增益降低3dB 時的輸出光功率;

低光纖到芯片耦合損耗（每端面<3dB）。(譯者注：現在封裝工藝多數已遠低于這個值)

商用SOA芯片的示意圖如圖2所示。有源波導由一個0.2um厚的InGaAsP體有源層組成，夾在0.1um厚的InGaAsP分離限制異質結構（SCH）層之間。有源波導的中心部分長 600um，恒定寬度為1.4um。模式擴展有源波導錐度長150um，尖端寬度從 1.4um 到 0.4um 線性變化。錐度允許光耦合到底層無源波導，從而實現與輸入和輸出光纖的高效耦合。由于增益部分中各層之間的折射率不匹配，該結構提供了高限制因子。由p-InP和n-InP層形成的p-n結充當電流塊，從而為注入的載流子提供從驅動電流到有源層的良好限制。通過將掩埋窗口與抗反射涂層傾斜端面（7°傾斜角）相結合，獲得非常低的反射率（10-6）。

由于有源波導不對稱，TE限制因子大于TM限制因子。gm在體材料中是各向同性的。由于有源層和分離限制異質結構SCH層之間的晶格失配，拉伸應變的引入導致塊狀材料帶結構發生變化，使得TM材料增益大于TE材料增益。引入適當的拉伸應變可補償TE和TM限制因子的差異，實現低偏振相關性。

其他可以實現低偏振相關的SOA結構包括基于具有近正方對稱橫截面的有源波導(具有幾乎相同的TE和TM限制因子)，或者壓縮應變量子阱（更高的TE增益）和拉伸應變量子阱（更高的TM增益）的組合。

商業SOA 的典型指標如表1和圖3所示。

如圖3 所示，傳統 SOA 中的增益飽和表現在輸出信號功率遠低于 Psat時。由于SOA 中的增益恢復時間（載流子壽命）很快（通常為0.1-1ns），這可能導致單通道系統中的碼型效應和波分復用 （WDM） 系統中的嚴重串擾。通過使用增益鉗位SOA（GC-SOA），可以大大減少這個問題。在GC-SOA 中，通過在遠離工作波長范圍的位置產生激光，引入波長特定反饋。一旦激光開始，SOA有源層中的載流子密度就會被鉗位在一個固定值。輸入信號功率的變化會導致激光模式功率的相反變化。這具有保持載流子密度固定（即箝位）的效果，從而使信號增益對總輸入功率的變化相對不敏感。提供此反饋的常用方法是使用分布式布拉格反饋器（DBR），如圖4所示。典型的GC-SOA增益對輸出功率特性如圖5所示。

SOA 在光通信系統中的基本應用

SOA 在光通信系統中的三種基本應用是：功率放大器、線路放大器和前置放大器。表 2 列出了 SOA 對此類應用程序的主要要求。

表2 SOA基礎應用需求

功率放大器用于增加高功率信號的功率，提高光發射機中的激光功率可用于克服外部調制器損耗，補償光分配網絡中的分路和分光損耗，增加光鏈路的功率預算。功率放大器最重要的要求是高Psat，以獲得高輸出信號功率并最大限度地減少碼型效應。Psat超過10dBm的SOA現已商用。

傳統光接收器的靈敏度受熱噪聲限制。靈敏度是接收器輸入端達到所需誤碼率（通常為10-9）所需的最小信號功率。光前置放大器可用于在檢測和解調之前提高光數據信號的功率水平，從而提高靈敏度。前置放大光接收器的性能取決于探測器信噪比，SNR=isig2/inoise2。信號光電流isig與放大的信號功率成正比。均方噪聲電流inoise2包括電路噪聲（熱噪聲和探測器暗電流噪聲）、信號散粒噪聲、自發輻射散粒噪聲、信號自發輻射拍頻噪聲以及自發輻射的光譜分量之間的拍頻噪聲。當SOA在信號自發輻射拍頻噪聲限制下運行時，SNR獲得最佳改善。在這種狀態下，信號功率足夠大，以至于主要的接收器噪聲是落在信號帶寬內的信號自發拍頻噪聲。這通常需要使用窄帶光濾波器來減少SOA 的自發輻射。噪聲系數是此應用中的一個關鍵參數，應盡可能低。

在長距離光傳輸系統中，在線光放大器可用于補償鏈路損耗，從而增加光再生器之間的距離。在線SOA的主要優點是數據速率和調制格式（非飽和狀態運行）的透明性、雙向性、WDM 能力、簡單的操作模式、低功耗和緊湊性，后兩個優點對于位于遠端的光元件很重要。為避免鏈路中噪聲積累，有必要在每個SOA后面增加窄帶光濾波器，但這可能會影響WDM系統容量。

圖6 顯示了使用功率放大器、直列和前置放大器 SOA 的單通道光傳輸系統的示例。發射器采用 1309nm 增益開關半導體激光器，10GHz 正弦波直調，以10 GHz的重頻產生 40ps寬脈沖序列。在 1309 nm處光纖色散很小，最大傳輸距離主要受鏈路損耗的限制。激光輸出連接到外部調制器，由231-1偽隨機位序列（PRBS）驅動，以產生消光比為13dB的光數據流。使用功率放大器SOA將平均發射功率提高到0到2dBm 之間（7-9 dBm峰值功率）。傳輸光纖長度為420km，采用12線路放大器SOA，用于補償光纖損耗，間隔38 km。在接收器處，信號通過1nm帶通濾波器，以減少累積的自發輻射，由SOA 前置放大器放大并由 1nm 帶通濾波器過濾。然后通過一個p-i-n光電二極管檢測信號，然后是時鐘和數據恢復電路。SOA 前置放大器和濾波器將接收器靈敏度BER=10-10從-14dBm 提高到-31dBm，420 km后的接收器功率代價5dB。在這個實驗中，傳輸距離的主要限制是光濾波器帶寬內自發輻射的積累。

碼型效應和串擾

當SOA 在不飽和狀態下運行時，放大器增益與輸入信號數量和信號數據速率無關。在此范圍之外，SOA將帶來失真，因為在高輸入功率下，增益會飽和并壓縮。動態增益飽和與增益恢復時間發生在同一時間尺度上。這會導致碼型效應，當前數據位功率會影響后續數據位的增益。當比特率與增益恢復時間的倒數相同時，這一點尤其重要，如圖7所示。在WDM系統中，通道之間的交叉增益調制XGM會導致嚴重的通道間串擾。

在使用SOA的WDM系統中，另一個復雜因素是由四波混頻FWM引起的通道間串擾。FWM是在SOA內的兩個光場之間相干非線性過程，導致場之間的拍頻進行增益調制，并在此過程中產生新的邊帶。在等間隔波長的WDM系統中，FWM 效應會對業務信號產生干擾。盡管串擾的功率相對較低，但由于相干拍頻噪聲現象，它可能會產生顯著的功率損失。FWM 串擾的水平隨著通道間隔的減小和通道輸出功率的增加而增加。FWM 串擾在通道間間隔小于 100 GHz 的密集 WDM 系統中尤為重要。圖 8 顯示了具有 FWM 生成的串擾信號的 8 通道多路復用的典型 SOA 輸出頻譜。

超短脈沖放大

光時分復用是提高光傳輸系統比特率的有效方法，這需要對短光脈沖進行時間間插。傳輸距離受光纖群速度色散的限制，該色散與脈沖譜寬度成正比。當光脈沖在光纖中傳播時保持形狀不變時，形成了光孤子傳輸。

由于SOA具有非常大的帶寬（通常為5THz），因此它能夠放大短至100fs的脈沖。如果脈沖能量遠小于SOA的飽和能量 Esat，則可以放大輸入脈沖而不會發生明顯失真。典型的SOA飽和能量大約為幾皮焦耳。當脈沖能量接近Esat時，會導致相當大的頻譜展寬和失真。對于10–100ps量級的輸入脈沖寬度tp（半高全寬），頻譜展寬主要是由于自相位調制（SPM）。SPM是由增益飽和引起的，這會導致SOA有源層折射率響應載流子密度變化而發生強度依賴性變化。頻譜展寬和失真的程度還取決于輸入脈沖形狀。如tp遠小于載流子壽命，則輸出脈沖功率Pout(t)和相位Φout(t)近似由下式給出

其中Pin(t)和Φin(t)是輸入脈沖光功率和相位。G0和α分別是光放大器未飽和增益和線寬增強因子。α取決于放大器有源區材料和操作條件，典型值在2–10 范圍內。輸出脈沖頻譜可由下式獲得：

其中ν0=ω0/2π是脈沖頻率。輸出脈沖啁啾（頻率變化）由下式給出

其中Δνin(t)是輸入脈沖啁啾。利用上述理論，一個放大的零啁啾（變換受限）高斯脈沖的輸入功率的形狀、啁啾和光譜參照下式：

如圖9 所示。Ein是脈沖能量，τp=1.665τ0。放大的脈沖是不對稱的，因為脈沖的前緣比后緣具有更大的增益。放大的脈沖頻譜比輸入脈沖更寬，并產生了多峰結構。這是由于SPM帶來的頻率啁啾在脈沖通過放大器時被施加在脈沖上。在這種情況下，啁啾是線性的，可以通過具有異常群速度色散的光纖傳輸脈沖來補償。在實踐中，光脈沖可能不是高斯分布，也可能具有初始啁啾。在這種情況下，感應啁啾和產生的脈沖頻譜可能更復雜，更難補償。

當輸入脈沖寬度小于~10ps時，上述理論不再適用，必須考慮 SOA 中的其他非線性效應，例如載波加熱和光譜空穴燃燒。SOA對此類脈沖產生的脈沖功率和頻譜失真可能非常復雜。

功能應用

SOA在光透明傳輸網絡中發揮特殊功能，光子集成電路和光電子器件封裝技術的發展使SOA 功能元件的部署更加可行。SOA 的兩個最重要的應用是光交叉和波長轉換。

圖10 顯示了用于光路由的2*2 SOA光交叉模塊的示例。可以使用此基本元件構造更大的光交叉矩陣，該模塊由四個集成的SOA 組成，安裝在硅基板上上。SOA 陣列通過 V 形槽對準嵌入與輸入和輸出聚合物波導對齊。通過打開對應的SOA將傳入數據包路由到任何輸出端口。開關時間可達1ns。

通過將SOA集成到非線性環形鏡結構中，如圖11中所示的太赫茲光學非對稱解復用器（TOAD），可以實現超快切換（<100 fs）。切換是通過在光纖環鏡中心放置 SOA 偏移并通過 50：50 耦合器將數據注入環路來實現的。兩個計數器傳播的數據脈沖流異步到達 SOA。開關脈沖定時在一個數據脈沖之后到達，但恰好在其副本之前到達。調整開關脈沖功率以將π的相位變化施加到副本上，因此當兩個反向傳播元件在返回耦合器時發生干擾時，數據脈沖被切換出去。TOAD 還可用于對高速時分多路復用脈沖流進行解復用。

全光波長轉換器將在寬帶光網絡中發揮重要作用，它們主要是為了避免WDM 網絡中的光交叉連接中的波長阻塞。波長轉換器使用一組固定的波長來提高網絡的靈活性和容量，并可用于集中網絡管理。在分組交換網絡中，可調波長轉換器可用于解決數據包沖突并降低光緩存要求。

SOA中的波長轉換可以使用交叉增益調制XGM、交叉相位調制XPM或四波混頻FWM來實現。基于XPM的SOA波長轉換器的設計要求將一個或多個SOA集成到干涉儀中，圖 12所示的馬赫-曾德爾干涉儀MZI就是一個例子。波長λ1的輸入數據信號用于調制上面的SOA折射率，該折射率控制干涉儀臂之一中λ2 處的第二個未調制輸入信號所經歷的相移。當輸入數據信號為低電平（邏輯0）時，臂同相，λ2 信號出現在頂部輸出處。當輸入泵浦信號為高電平（邏輯1）時，它會在兩個臂之間產生額外的π相移，導致它們完全反相，λ2信號在底部輸出。兩個輸出都包含調制到新波長上的原始數據信號的副本。向上和向下轉換是可能的。下部的SOA用于均衡每個臂中λ2信號所經歷的增益。輸出端需要一個濾光片來去除λ1。這種波長轉換器可以在非常高的比特率（>10 Gb/s）下運行。MZI結構的一個重要優點是，它還通過波長轉換提供輸入數據信號的2R再生（再放大和再整形）。這是因為與輸入數據相比，干涉儀非線性響應增加了轉換信號的消光比。全光3R（2R+再定時）再生器可在未來的光通信網絡中用于恢復劣化的傳輸信號。基于SOA 的干涉結構可用于>80Gb/s的數據速率實現3R（2R+再定時）再生。